Bài Giảng Quản Lý Bộ Nhớ - Môn Hệ Điều Hành
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (446.17 KB, 25 trang )
MÔN HỆ ĐIỀU HÀNH
Chương 5
QUẢN LÝ BỘ NHỚ
5.1 Tổng quát về quản lý bộ nhớ
5.2 Quản lý bộ nhớ thật
5.3 Quản lý bộ nhớ ảo
5.4 Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
5.5 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
5.6 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn và phân trang
5.7 Quản lý bộ nhớ của CPU Intel 80x86
Tài liệu tham khảo : chương 4, sách "Modern Operating Systems",
Andrew S. Tanenbaum: , 2nd ed, Prentice Hall
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 1
5.1 Tổng quát về quản lý bộ nhớ
Thường người lập trình muốn bộ nhớ mà chương trình truy
xuất được có các tính chất :
dung lượng lớn
chạy nhanh
không bị mất thông tin.
Thường máy tính sử dụng 3 loại bộ nhớ :
Cache : giá cao, dung lượng hạn chế, tốc độ cao
bộ nhớ chính DRAM : dung lượng trung bình, giá trung
bình, tốc độ trung bình.
đĩa cứng : dung lượng rất lớn, chậm, giá rẻ.
Module quản lý bộ nhớ phải tận dụng các ưu/khuyết điểm của
các loại bộ nhớ máy tính để cung cấp cho người lập trình
không gian làm việc thoả mãn càng nhiều yêu cầu càng tốt.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 2
1
5.2 Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đơn chương
0xFFFF..
0xFFFF..
0xFFFF..
Driver, I/O
HĐH
Application
Application
Application
HĐH
HĐH
0
0
0
Một số vấn đề cần giải
quyết :
Tái định lại địa chỉ
chương trình khi nạp
fiel khả thi từ đĩa vào
RAM.
Bảo vệ bộ nhớ của
HĐH từ việc truy xuất
không hợp pháp của
chương trình ứng dụng.
Vấn đề không đủ chỗ
cho chương trình lớn →
sử dụng kỹ thuật
Overlay để chia ứng
dụng ra nhiều file
overlay liên tiếp.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 3
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
5.2 Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đơn chương
//phần mềm viết bằng C
int i;
...
i = 5;
nạp vào,
chưa tái định
base
//mã máy
move ax, 5
mov [0], ax
...
i
HĐH
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
//mã máy dịch được
move ax, 5
mov [0], ax
...
0 i
base
code
static data
//mã máy
move ax, 5
mov [0+base], ax
...
i
HĐH
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 4
2
5.3 Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đa chương
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 5
5.3 Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đa chương
Trong bối cảnh máy có dung lượng RAM khá lớn (512KB), còn các
phần mềm cần chạy có kích thước khá nhỏ (10-100KB), ta có thể
dùng 1 trong 3 kỹ thuật quản lý bộ nhớ :
1. Kỹ thuật phân vùng tĩnh dùng nhiều hàng chờ độc lập (hình a
slide trước) :
HĐH được load vào vùng bộ nhớ thấp của RAM.
phần trống còn lại của RAM sẽ được chia làm nhiều phân vùng
có kích thước tăng dần (10, 20, 40, 80, 160KB,...).
mỗi phân vùng có 1 hàng chờ các ứng dụng cần chạy trên phân
vùng tương ứng.
khi cần chạy ứng dụng, người chạy ứng dụng phải chọn phân
vùng có kích thước nhỏ nhất nhưng >= kích thước ứng dụng và
sắp hàng ở hàng chờ tương ứng.
HĐH sẽ phục vụ các ứng dụng trong từng hàng chờ theo thứ tự
ai đến trước phục vụ trước.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 6
3
Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đa chương
Kỹ thuật dùng nhiều hàng chờ độc lập có 2 khuyết điểm chính :
1. Kích thước các phân vùng tĩnh thường không khớp với kích thước ứng
dụng nên bị lãng phí.
2. sử dụng các phân vùng thường không đều gây ra lãng phí : nhiều phần
mềm sắp hàng chạy trên phân vùng kích thước nhỏ, trong lúc phân
vùng kích thước lớn không có ứng dụng chạy.
Để khắc phục khuyết điểm 2 ở trên, ta có thể dùng kỹ thuật sau :
2. Kỹ thuật phân vùng tĩnh dùng 1 hàng chờ duy nhất (hình b slide trước) :
HĐH được load vào vùng bộ nhớ thấp của RAM.
phần trống còn lại của RAM sẽ được chia làm nhiều phân vùng có kích
thước tăng dần (10, 20, 40, 80, 160KB,...).
chỉ có 1 hàng chờ các ứng dụng cần chạy trên các phân vùng.
khi 1 phân vùng rãnh, HĐH sẽ dò trong hàng chờ 1 ứng dụng có kích
thước lớn nhất nhưng <= kích thước phân vùng và cho phép ứng dụng
này chạy.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 7
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đa chương
Để khắc phục khuyết điểm 1 ở silde trước, ta có thể dùng kỹ thuật sau :
3. Kỹ thuật phân vùng động :
E
B
C
C
C
B
B
B
C
B
A
A
A
HĐH
HĐH
HĐH
a.
b.
c.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
D
D
HĐH
HĐH
HĐH
d.
e.
f.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 8
4
Quản lý bộ nhớ thật trên hệ đa chương
3. Kỹ thuật phân vùng động :
a. HĐH được load vào vùng bộ nhớ thấp của RAM. Khi ứng dụng A cần
chạy, HĐH tạo phần vùng động vừa đúng kích thước của phần mềm A
và nạp A vào phân vùng vừa tạo. Phân bộ nhớ trống còn lại để dành
cho các phần mềm khác sau này.
b. tương tự tạo phân vùng cho B chạy.
c. tương tự tạo phân vùng cho C chạy.
d. A kết thúc và trả lại phân vùng mình đã chiếm.
e. khi D chạy, HĐH tạo phần vùng động vừa đúng kích thước cho D.
f. khi E chạy, HĐH không tìm được vùng trống nào đủ lớn cho E cả.
Trong trường hợp này, HĐH sẽ dời các phân vùng đang dùng bởi các
ứng dụng lại kề nhau để tạo phân vùng trống duy nhất. Nếu kích
thước của nó đủ chạy cho E thì sẽ tạo phân vùng động cho E chạy.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 9
5.3 Quản lý bộ nhớ ảo trên hệ đa chương
Tất cả các phương pháp quản lý bộ nhớ đã trình bày trước đây đều có
nhược điểm là dựa vào ý tưởng : nạp toàn bộ file phần mềm vào bộ nhớ
trước khi chạy ứng dụng tương ứng.
Trong bối cảnh sử dụng máy hiện nay, máy chỉ có RAM kích thước vừa
phải (<=4GB), nhưng phải chạy đồng thời nhiều ứng dụng, mỗi ứng dụng
lại có nhu cầu bộ nhớ rất lớn, nhiều khi lớn hơn cả kích thước của RAM.
Như vậy, các phương pháp trước đây đều thất bại không giải quyết nổi yêu
cầu mới này.
Người ta đã tìm được phương pháp quản lý bộ nhớ đáp ứng được yêu cầu
mới, đó là phương pháp quản lý bộ nhớ ảo. Ý tưởng nền tảng của phương
pháp này là : không cần nạp hết chương trình vào bộ nhớ trước khi chạy
mà khi ứng dụng chạy tới lệnh nào và truy xuất dữ liệu nào thì HĐH mới
nạp phần chương trình chứa lệnh và dữ liệu cần chạy, sau đó khi cần thì
giải phóng vùng nhớ để chứa phần code và dữ liệu khác.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 10
5
5.3 Quản lý bộ nhớ ảo trên hệ đa chương
Có 3 phương pháp quản lý bộ nhớ ảo khác nhau :
Quản lý bộ nhớ phân trang (Paging)
Quản lý bộ nhớ phân đoạn (Segmentation)
Quản lý bộ nhớ phân đoạn và phân trang (Segmentation & Paging)
Để đạt được tốc độ cần thiết, người ta phải hiện thực các phương pháp
quản lý bộ nhớ ảo bằng phần cứng. Đơn vị phần cứng quản lý bộ nhớ ảo
được gọi là MMU (Memory Management Unit). Đơn vị MMU thường trong
trong CPU.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 11
Quản lý bộ nhớ ảo trên hệ đa chương
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 12
6
5.4 Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Nguyên lý hoạt động :
khi lập trình, các lệnh truy xuất các địa chỉ trong không gian
phẳng có dùng lượng rất lớn (4GB). Không gian này được gọi là
luận lý (ảo). Nếu phần mềm hạn chế truy xuất trong không gian
này thì HĐH sẽ đảm bảo nó chạy tốt cho dù kích thước thật của
RAM nhỏ hơn nhiều.
Để quản lý việc swap (nạp vào/ghi ra) bộ nhớ ảo, HĐH chia bộ
nhớ ảo của ứng dụng ra thành nhiều đơn vị quản lý có kích
thước đồng nhất, mỗi đơn vị được gọi là trang ảo. Kích thước
trang ảo = 2i (256, 512, 1K, 2K, 4K, 8K,...).
Bộ nhớ RAM cũng được chia thành nhiều đơn vị quản lý, mỗi
đơn vị được gọi là trang thật (page frame). Kích thước thật =
kích thước trang ảo.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 13
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Nguyên lý hoạt động (tt) :
Trang thật là nơi chứa trang ảo khi cần thiết, tại từng thời điểm,
mỗi trang thật chứa tốt đa 1 trang ảo, nhưng theo thời gian nó
có thể chứa nhiều trang ảo khác nhau.
Khi ứng dụng truy xuất 1 ô nhớ theo địa chỉ tuyến tính số
nguyên, HĐH biết ngay ô nhớ đó thuộc trang ảo nào, nằm ở
Offset nào trong trang ảo.
ô ở địa chỉ 8196 = 0010 0000 0000 0100
phần còn lại bên
trái là chỉ số trang
ảo (=2)
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
i bit bên phải là
offset của ô
nhớ (=4)
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 14
7
Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Nguyên lý hoạt động (tt) :
Để quản lý quá trình ánh xạ các trang ảo của chương trình vào các
trang thật, HĐH dùng 1 bảng đặc tả trang ảo cho mỗi chương trình,
bảng này có số phần tử = số trang ảo của chương trình tương ứng,
mỗi phần tử của bảng là 1 record chứa các thông số quản lý trang ảo
tương ứng :
Protection
Modified
Address in disk
Chỉ số trang thật (page frame)
inRAM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 15
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật :
1. từ địa chỉ mà chương trình truy xuất (addr), hệ thống tách thành 2
thành phần : page (i) và offset.
2. Truy xuất record quản lý trang ảo i trong bảng đặc tả trang. Nếu field
inRAM=1 thì địa chỉ thật tương ứng là :
page frame
Offset
và qui trình kết thúc.
3. Nếu inRAM =0, hệ thống sẽ tìm 1 trang thật rãnh (k), nếu không có
phải tìm cách giải phóng 1 trang thật ít gây phiền hà nhất (k), dựa vào
thông tin trong field "inDisk" để mở file và đọc trang ảo vào trang thật
k.
4. Hiệu chỉnh lại field inRAM = 1 và field page frame = k rồi quay lại
bước 2.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 16
8
Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Thí dụ về trạng thái
hệ thống, RAM có
32KB được chia làm
8 trang thật chỉ số từ
0 -7, mỗi trang 4KB.
Chương trình dài
64KB được chia làm
16 trảng ảo, chỉ số
từ 0 -15.
Hiện có 8 trang ảo
được nạp vào và
chiếm hết RAM.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 17
Quản lý bộ nhớ ảo phân trang
Thí dụ về bảng
đặc tả trang và
qui trình đỗi địa
chỉ ảo sang địa
chỉ thật.
Theo hình bên,
phần mềm truy
xuất ô nhớ ảo ở
địa chỉ 8196 thì
máy truy xuất
RAm ở địa chỉ
24580.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 18
9
Các phương pháp giải phóng trang thật
Trong qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật ở các slide trước, ta thấy
mỗi khi cần nạp trang ảo mới, máy sẽ tìm trang thật trống, nhưng ít khi tìm
được, do đó máy sẽ phải tìm 1 trang thật đang dùng nào đó và giải phóng
nó. Có nhiều phương pháp giải phóng trang thật khác nhau, mỗi phương
pháp có giá/kết quả khác nhau, tùy thuộc vào mục tiêu xây dựng HĐH cụ
thể, ta có thể chọn 1 trong các phương pháp này hay kết hợp chúng lại.
1. Phương pháp FIFO : dùng 1 danh sách liên kết chứa các trang thật
được dùng, trang nào được dùng mới nhất sẽ được đưa vào cuối danh
sách → đầu danh sách là trang được dùng cũ nhất → chọn nó để
giải phóng khi cần.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 19
Các phương pháp giải phóng trang thật
Phương pháp FIFO có nhược điểm là thường giải phóng nhằm các
trang chứa HĐH (vì các module chức năng của HĐH được nạp vào
RAM đầu tiên). Để khắc phục nhược điểm này, ta có thể dùng
phương pháp sau :
2. Phương pháp cho cơ hội lần 2 : kết hợp mỗi trang thật 1 bit
trạng thái, bit R = 0/1 (Recent). Định kỳ bit R của các trang sẽ
bí xóa về 0, mỗi khi trang bị truy xuất thì set R = 1. Khi cần giải
phóng trang, chọn phần tử đầu danh sách. Nếu bit R = 0 thì
giải phóng nó, còn nếu R = 1 thì set lại R=0, tha nó và đưa nó
về đuôi danh sách để xử lý sau. Như vậy, với phương pháp
này, ta chỉ giải phóng trang được dùng cũ nhất và không được
truy xuất lại trong quá khứ gần đây.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 20
10
Các phương pháp giải phóng trang thật
Phương pháp cơ hội lần 2 còn tốn nhiều chi phí cho mỗi lần xử lý.
Cụ thể để đưa được phần tử đầu của danh sách về cuối danh sách,
ta cần thực hiện 4 lệnh gán sau :
tail->next = head; //đưa phần tử đầu danh sách về cuối danh sách
tail = head;
//hiệu chỉnh lại pointer tail của danh sách
head = head->next; //đưa phần tử đầu danh sách về phần tử kế tiếp
tail->next = null;
//xóa vùng next của phần tử cuối danh sách
Để giảm nhẹ hơn nữa chi phí quản lý danh sách, ta có thể dùng
danh sách liên kết vòng thay vì danh sách liên kết đơn. Đây là ý
tưởng của phương pháp “Clock” để giải phóng trang.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 21
Các phương pháp giải phóng trang thật
3. Phương pháp “Clock” :
Để đưa được phần tử đầu của danh
sách về cuối danh sách, ta chỉ cần
thực hiện 1 lệnh gán sau :
//đưa phần tử đầu danh sách về
phần tử kế tiếp
head = head->next;
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 22
11
Các phương pháp giải phóng trang thật
4. Phương pháp “Not Recently-Used” - NRU : Để giải phóng trang ít gây
phiền hà hơn, ta sẽ kết hợp mỗi trang thật 1 bit trạng thái nữa. Cụ thể
ta có 2 bit miêu tả trạng thái của từng trang thật như sau :
bit R = 0/1 (Recent). Định kỳ bit R của các trang sẽ bí xóa về 0, mỗi
khi trang bị truy xuất thì set R = 1.
bit M = 0/1(Modified). Mỗi lần nạp trang ảo, bit M của trang thật được
xóa 0. Mỗi lần bị thay đổi nội dung, bit M được set lên 1.
Như vậy mỗi trang sẽ ở 1 trong 1 trạng thái sau :
1. S0 : R = M = 0 : trong quá khứ gần, trang chưa được truy xuất và
trang chưa bị thay đổi nội dung.
2. S1 : R = 0, M = 1 : trong quá khứ gần, trang chưa được truy xuất
nhưng trang đã bị thay đổi nội dung.
3. S2 : R = 1, M = 0 : trong quá khứ gần, trang được truy xuất, nhưng
trang chưa bị thay đổi nội dung.
4. S3 : R = 1, M = 1 : trong quá khứ gần, trang được truy xuất và trang
đã bị thay đổi nội dung.
Khi cần giải phóng trang, ta chọn trang theo thứ tự ưu tiên từ S0 -> S3.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 23
Các phương pháp giải phóng trang thật
Trong phương pháp NRU ở slide trước, nếu có nhiều trang S0 thì ta
phải dùng cơ chế ngẫu nhiên để chọn 1 trong các trang đó chưa
chính xác lắm. Để khắc phục ngược điểm này, ta dùng phương pháp
sau :
5. Phương pháp “Least Recently-Used” - LRU : kết hợp mỗi trang
1 vùng thông tin miêu tả mộc thời gian. Mỗi lần trang được truy
xuất, ta ghi thời điểm truy xuất vào mộc thời gian của trang. Mỗi
khi cần giải phóng trang, ta chọn trang có mộc thời gian nhỏ
nhất (trang được truy xuất lần cuối lâu nhất).
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 24
12
Tối ưu hóa qui trình đổi địa chỉ ảo sang thật
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang thật được trình bày trong các slide trước
có 2 vấn đề lớn sau đây cần chú ý và giải quyết :
1. bảng đặc tả trang cho chương trình chiếm rất nhiều chỗ. Thí dụ
không gian ảo của chương trình là 4GB, trang ảo là 4KB. Như
vậy, ta cần có bảng đặc tả trang cho chương trình chứa 4G/4K
= 1M phần tử, mỗi phần tử là 1 record (td. dài 16 byte). Kết quả
là bảng đặc tả trang sẽ chiếm 16MB và về nguyên tắc phải nằm
thường trực trong RAM → quá tốn chỗ!
2. nếu thuật giải đổi địa chỉ ảo sang thật được viết bằng phần
mềm, nó sẽ gồm hàng ngàn lệnh máy, như vậy mỗi lần chương
trình thực hiện 1 lệnh máy có truy xuất bộ nhớ, máy sẽ dừng lại
chạy thuật giải đổi địa chỉ gồm hàng ngàn lệnh máy mới có kết
quả giúp lệnh máy của chương trình chạy tiếp → quá kém hiệu
quả!
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 25
Tối ưu hóa qui trình đổi địa chỉ ảo sang thật
Để khắc phục nhược điểm 1 trong slide trước, người ta dùng cơ chế phân
trang nhiều cấp thay vì 1 cấp. Thí dụ Windows dùng cơ chế phân trang 2
cấp như sau :
chia không gian ảo của phần mềm (4GB) thành n (=1024) trang ảo
cấp 1 (Dir),
mỗi trang ảo cấp 1 có dung lượng rất lớn (=4MB) được chia nhỏ thành
m (=1024) trang ảo cấp 2, mỗi trang ảo cấp 2 có kích thước 4KB và
là đối tượng swap vật lý giữa RAM/đĩa cứng.
Như vậy bảng đặc tả trang cho chương trình chỉ chứa n (=1024) phần
tử, rất nhỏ so với trước đây (1M phần tử). Tuy nhiên mỗi trang ảo cấp
1 có bảng đặc tả trang riêng dài m (=1024) phần tử. May mắn là các
bảng đặc tả trang cấp 2 không cần nằm thường trực trong RAM,
chúng được chứa trên đĩa. Khi truy xuất vào trang ảo cấp 1 nào, bảng
đặc tả trang cấp 2 của nó mới được nạp vào RAM.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 26
13
Tối ưu hóa qui trình đổi địa chỉ ảo sang thật
nằm trong
RAM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 27
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Tối ưu hóa qui trình đổi địa chỉ ảo sang thật
Để khắc phục nhược điểm 2 trong slide trước, thay vì dùng giải pháp
phần mềm để đổi địa chỉ, ta dùng phương pháp phần cứng dựa vào
bộ nhớ kết hợp : địa chỉ ảo cần truy xuất
nằm trong thanh ghi địa chỉ của CPU
i
Offset
Comparator
Comparator
Comparator
Comparator
Comparator
Comparator
g
h
i
p
q
s
z
y
j
l
m
n
j
Offset
Working set của bảng đặc tả
trang
Toàn bộ các mạch điện tử trên đều là mạch tổ hợp nên thời gian đổi
địa chỉ ảo sang thật hầu như = 0, quá tốt!
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 28
14
5.5 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Trong kỹ thuật phân trang, mặc
dù không gian ảo mà chương
trình có thể truy xuất có kích
thước rất lớn (4GB), nhưng nó là
không gian phẳng nên 1 số
chương trình lớn vẫn còn gặp
phiền hà sau đây : chương trình
tự chia không gian ảo của mình
ra thành nhiều partition khác
nhau để chứa những thông tin
độc lập cần được xử lý, trong
quá trình chạy, nếu 1 trong các
partition không đủ chỗ chứa
thông tin thì chương trình sẽ bị
dừng độ ngột.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 29
5.5 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Do đó, thay vì cấp phát cho chương trình 1 không gian phằng duy nhất,
nếu hệ thống cấp phát cho chương trình các không gian bộ nhớ độc lập có
kích thước thay đổi động theo nhu cầu (miễn sao tổng kích thước của
chúng bị hạn chế trên nào đó) như hình sau thì chương trình sẽ không gặp
vần đề tràn
bộ nhớ như
slide trước :
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 30
15
5.5 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Nguyên lý hoạt động :
khi lập trình, chương trình được phép truy xuất dữ liệu trong
nhiều không gian khác nhau, mỗi không gian được gọi là
segment. Mỗi segment có kích thước thay đổi được theo thời
gian, ô nhớ đầu tiên của mỗi segment luôn bắt đầu từ 0.
Bộ nhớ RAM có kích thước nhỏ nào đó. Các segment của
chương trình thường nắm trên đĩa cứng, khi cần thiết segment
sẽ được nạp vào 1 vùng thích hợp trong RAM.
Tại từng thời điểm, 1 vùng nhớ RAM thật chứa tốt đa 1 segment
ảo, nhưng theo thời gian nó có thể chứa nhiều segment ảo khác
nhau.
Khi ứng dụng truy xuất 1 ô nhớ, nó xác định địa chỉ ô nhớ dạng
phân cấp : segment + offset.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 31
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Nguyên lý hoạt động (tt) :
Để quản lý quá trình ánh xạ các segement ảo của chương trình vào
các vùng RAM, HĐH dùng 1 bảng đặc tả sgement cho mỗi chương
trình, bảng này có số phần tử = số segement của chương trình tương
ứng, mỗi phần tử của bảng là 1 record chứa các thông số quản lý
segement tương ứng :
Protection
Modified
Address in disk
địa chỉ thật trong RAM (start_addr)
inRAM
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 32
16
Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật :
1. từ địa chỉ mà chương trình truy xuất gồm 2 thành phần : segement (i)
và offset.
2. Truy xuất record quản lý segement i trong bảng đặc tả segement.
Nếu field inRAM=1 thì địa chỉ thật tương ứng là :
start_addr + Offset và qui trình kết thúc.
3. Nếu inRAM =0, hệ thống sẽ tìm 1 vùng RAM thật rãnh (có địa chỉ bắt
đầu là base), nếu không có phải tìm cách giải phóng 1 vùng RAM
thật ít gây phiền hà nhất (có địa chỉ bắt đầu là base), dựa vào thông
tin trong field "inDisk" để mở file và đọc segment vào vùng RAM thật
tìm được.
4. Hiệu chỉnh lại field inRAM = 1 và field start_addr = base rồi quay lại
bước 2.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 33
Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn
Đặc tính
Kỹ thuật Paging
Segementation
Không
Có
Người lập trình có biết kỹ thuật này
đang dùng ?
Chương trình có bao nhiêu vùng địa chỉ
1
n
tuyến tính độc lập ?
Kích thước không gian ảo tổng cộng có
Có
Có
lớn hơn kích thứơc RAM ?
Hàm và dữ liệu được tách biệt và bảo vệ
Không
Có
riêng biệt ?
Các bảng dữ liệu dễ thích ứng khi kích
Không
Có
thước của chúng bị thay đổi ?
Các chương trình có thể dùng chung dữ
Không
Có
liệu và hàm ?
Vì sao kỹ thuật này được phát sinh
hệ thống muốn chương trình Người lập trình mong muốn
có không gian rất lớn, không có nhiều vùng độc lập để
bận tâm kích thước RAM
chứa thông tin độc lập.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 34
17
5.6 Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn và phân trang
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật ở slide trước có khuyết
điểm trong trường hợp quản lý segemnt có kích thước lớn : ta
khó/không tìm được vùng RAM trống chứa nó. Vì lý do này, trong
thực tế, người ta phải kết hợp 2 phương pháp quản lý phân trang và
phân đoạn lại, đây là phương pháp mạnh nhất hiện nay. ý tưởng là
hệ thống sẽ quản lý mỗi segment phần mềm như là 1 không gian ảo
gồm nhiều trang ảo, mỗi lần chương trình truy xuất ô nhớ nằm trong
trang ảo nào của segment nào, hệ thống sẽ tìm cách nạp nó vào
RAM.
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 35
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn và phân trang
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật :
1. từ địa chỉ mà chương trình truy xuất gồm 2 thành phần : segement (s)
và offset, hệ thống sẽ tách offset ra thành 2 thành phần page (p) +
offset1.
2. Truy xuất record quản lý segement s trong bảng đặc tả segement.
Nếu field inRAM=1 thì bản đặc tả trang cho segement s đã có trong
RAM. Nếu không thì tìm cách nạp nó vào RAM.
3. Truy xuất record quản lý trang ảo p trong bảng đặc tả trang. Nếu field
inRAM=1 thì địa chỉ thật tương ứng là :
page frame
Offset
và qui trình kết thúc.
4. Nếu inRAM =0, hệ thống sẽ tìm 1 trang thật rãnh (k), nếu không có
phải tìm cách giải phóng 1 trang thật ít gây phiền hà nhất (k), dựa vào
thông tin trong field "inDisk" để mở file và đọc trang ảo vào trang thật
k.
5. Hiệu chỉnh lại field inRAM = 1 và field page frame = k rồi quay lại
bước 3.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 36
18
Quản lý bộ nhớ ảo phân đoạn và phân trang
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 37
5.7 Quản lý bộ nhớ của CPU Intel 80x86
Với mục tiêu phải tương thích ngược với các CPU đời cũ hơn, các
CPU 80x86 (x>=3) cung cấp 3 cơ chế quản lý bộ nhớ :
1. real mode : đã có trong CPU 8088, CPU được dùng để xây
dựng máy IBM PC đầu tiên. Đây là cơ chế quản lý bộ nhớ thật
dùng kỹ thuật phân đoạn (segmentation).
2. protected mode : đã có trong CPU 80286. Đây là cơ chế quản
lý bộ nhớ ảo dùng kỹ thuật phân đoạn (segmentation).
3. 386 enchanced mode : mới thêm vào cho các CPU từ 80386 trở
lên. Đây là cơ chế quản lý bộ nhớ tổng hợp vừa phân đoạn vừa
phân trang.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 38
19
Quản lý bộ nhớ Real mode
Nguyên lý hoạt động :
không gian bộ nhớ của chương trình là 1 tập các segment,
mỗi địa chỉ truy xuất được xác định bởi chương trình gồm 2
tham số : chỉ số segment + offset, mỗi tham số dài 16 bit. Ở
góc nhìn lập trình, mỗi phần mềm có 216 segment, mỗi segment
có 216 byte → mỗi chương trình dài maximum 4GB!
Thường thì chương trình sẽ truy xuất tuần tự các ô nhớ nên
tham số segment sẽ được chứa vào 1 trong các thanh ghi
segment (CS, DS, ES, SS), mỗi lệnh máy chỉ cần miêu tả offset
của ô nhớ cần truy xuất.
Máy sẽ đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật theo công thức sau :
physical address = segment * 16 + offset,
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 39
Quản lý bộ nhớ Real mode
Nguyên lý hoạt động (tt) :
bit A20 của kết quả hoặc bị bỏ đi (trong chế độ A20 disable),
hoặc được giữ lại và dùng (trong chế độ A20 enable). Chế độ
A20 được thiết lập trong ROM BIOS.
Theo cách đổi địa chỉ ảo như trên, ta thấy các segment phần
mềm khác nhau có thể giao nhau, độ lệch tối thiểu của 2
segment là 16 ô nhớ (1 paragraph).
Thí dụ các ô nhớ 0:80H ≡1:70H ≡ 2:60H ≡ 3:50H ≡ 4:40H ≡
5:30H 6:20H ≡ 7:10H ≡ 8:0H đều chiếm cùng 1 ô nhớ RAM.
không gian RAM mà chương trình truy xuất được thực tế là 1MB
(A20 disable) hay 1MB + 65520 B (A20 enable). Ta gọi phần
trên 1MB là HIGH MEMORY.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 40
20
Quản lý bộ nhớ Protected mode
Nguyên lý hoạt động :
không gian bộ nhớ của chương trình là 1 tập các segment ảo,
mỗi địa chỉ truy xuất được xác định bởi chương trình gồm 2
tham số : chỉ số segment + offset, tham số segment dài 16 bit y
như chế độ real mode, còn tham số offset có thể dài 32 bit. Như
vậy, ở góc nhìn lập trình, mỗi phần mềm có 216 segment, mỗi
segment có 232 byte → mỗi chương trình dài maximum 248 =
256TB!
Thường thì chương trình sẽ truy xuất tuần tự các ô nhớ nên
tham số segment sẽ được chứa vào 1 trong các thanh ghi
segment (CS, DS, ES, SS), mỗi lệnh máy chỉ cần miêu tả offset
của ô nhớ cần truy xuất.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 41
Quản lý bộ nhớ Protected mode
Nguyên lý hoạt động (tt) :
nội dung trong thanh ghi segment không phải là chỉ số segment
cần truy xuất mà nó được hiểu là “segment selector” gồm 3
thông tin :
như vậy, không gian bộ nhớ của chương trình có kích thước
maximum là 8K segment toàn cục (global) và 8K segment
cục bộ (local). Mỗi segment dài tối đa 4GB (dùng format 32bit cho offset) → bộ nhớ chương trình tổng cộng là 64 TB.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 42
21
Cấu trúc record quản lý segment của Intel
Base0-31 : địa chỉ RAM chứa segment
Limit 0-7
Limit0-19 : độ lớn segment (đơn vị tính
là byte/page)
Limit 8-15
D = 0 : Limit tính theo byte / D = 1 :
tính theo page 4KB
Base 0-7
Base 8-15
G = 0 : segment 16-bit / G = 1 :
segment 32-bit
Base 16-23
P = 0 : segment chưa nạp vào RAM / P
= 1 : nạp vào RAM rồi
P
DPL
S = 0 : System / S = 1 : Application
G
D
DPL : mức độ phân quyền từ 0 - 3
Type
S
Limit 16-19
Base 24-31
Type : kiểu segment và bảo vệ segment
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 43
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật
Địa chỉ luận lý có dạng segment:Offset, địa chỉ thật tương ứng là địa
chỉ 32 bit, kết quả của phép cộng số học trong hình sau :
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 44
22
Quản lý bộ nhớ 368 enchanced mode
Nguyên lý hoạt động :
không gian bộ nhớ của chương trình là 1 tập các segment ảo,
mỗi địa chỉ truy xuất được xác định bởi chương trình gồm 2
tham số : chỉ số segment + offset, tham số segment dài 16 bit y
như chế độ real mode, còn tham số offset có thể dài 32 bit. Như
vậy, ở góc nhìn lập trình, mỗi phần mềm có 216 segment, mỗi
segment có 232 byte → mỗi chương trình dài maximum 248 =
256TB!
Thường thì chương trình sẽ truy xuất tuần tự các ô nhớ nên
tham số segment sẽ được chứa vào 1 trong các thanh ghi
segment (CS, DS, ES, SS), mỗi lệnh máy chỉ cần miêu tả offset
của ô nhớ cần truy xuất.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 45
Quản lý bộ nhớ Protected mode
Nguyên lý hoạt động (tt) :
nội dung trong thanh ghi segment không phải là chỉ số segment
cần truy xuất mà nó được hiểu là “segment selector” gồm 3
thông tin :
như vậy, không gian bộ nhớ của chương trình có kích thước
maximum là 8K segment toàn cục (global) và 8K segment
cục bộ (local). Mỗi segment dài tối đa 4GB (dùng format 32bit cho offset) → bộ nhớ chương trình tổng cộng là 64 TB.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 46
23
Cấu trúc record quản lý segment của Intel
Base0-31 : địa chỉ RAM chứa segment
Limit 0-7
Limit0-19 : độ lớn segment (đơn vị tính
là byte/page)
Limit 8-15
D = 0 : Limit tính theo byte / D = 1 :
tính theo page 4KB
Base 0-7
Base 8-15
G = 0 : segment 16-bit / G = 1 :
segment 32-bit
Base 16-23
P = 0 : segment chưa nạp vào RAM / P
= 1 : nạp vào RAM rồi
P
DPL
S = 0 : System / S = 1 : Application
G
D
DPL : mức độ phân quyền từ 0 - 3
Type
S
Limit 16-19
Base 24-31
Type : kiểu segment và bảo vệ segment
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 47
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật
Địa chỉ luận lý có dạng segment:Offset, địa chỉ ảo tương ứng là địa
chỉ 32 bit, kết quả của phép cộng số học trong hình sau :
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 48
24
Qui trình đổi địa chỉ ảo sang địa chỉ thật
Địa chỉ ảo tuyến tính 32 bit được đổi sang địa chỉ thật của RAM bằng
cơ chế phân trang 2 cấp như hình bên.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 49
Các mức phân quyền bảo vệ segment
CPU 80x86 cung cấp 4
mức phân quyền từ 0 (cao
nhất) tới 3 (thấp nhất). Mỗi
segment có field DPL =
mức phân quyền của mình.
Mỗi process có mức phân
quyền : hệ thống có mức 0,
còn application có mức 3.
Hệ thống có thể truy xuất
bất kỳ segment nào, còn
application chỉ có thể truy
xuất các segment có mức
phân quyền bằng hay cao
hơn mình.
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường ĐH Bách Khoa Tp.HCM
Môn : Hệ điều hành
Chương 5 : Quản lý bộ nhớ
Slide 50
25
